Bộ giáo dục đào tạo Trường đại học bách khoa Hà Nội - Hoàng Mạnh Cường Ảnh hưởng chế độ cắt tới độ nhám bề mặt gia công máy phay CNC Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: chế tạo máy Người hướng dẫn khoa học: TS Trần Đức Quý GS - TS Trần Văn Địch Phú thọ - 2012 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu luận văn khoa học riêng Các số liệu kết nêu luận văn xác, trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả Hoàng Mạnh Cường MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan Mục lục………………………………………………………………………… Danh mục ký hiệu,chữ viết tắt…………………………………………… .4 Danh mục bảng biểu……………………………………………………… Danh mục hình vẽ đồ thị…………………………………………………… MỞ ĐẦU…………………………………………………… ………………… CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN QUÁ TRÌNH CẮT KHI PHAY…………… 11 1.1 Tổng quan phay … ………………………………… … 11 1.1.1 Định nghĩa phay ………………….….………… 11 1.1.2 Các dạng dao phay chủ yếu…………… …… .… 11 1.1.3 Đặc điểm gia công cắt gọt phay… … … … .13 1.1.4 Các phương pháp phay… … … 13 1.2 Công nghệ gia công máy phay CNC………… ………… .16 1.2.1 Các dạng điều khiển máy phay CNC……………….… 16 1.2.2 Quy trình công nghệ gia công máy phay CNC…… .19 1.2.3 Phương pháp thục phay máy phay CNC……… .20 1.2.4 Lập trình gia công máy phay CNC……………… 25 1.3 Các đặc trưng phay dao phay ngón sử dụng mảnh cắt xoay………………………………………………… 28 1.3.1 Độ nhám bề mặt chi tiết gia công……………… ……… 28 1.4 Các đại lượng đặc trưng xuất trình cắt phương pháp đo đại lượng đặc trưng bản………… …… 31 1.4.1 Các đại lượng đặc trưng xuất trình cắt… .31 1.4.2 Phương pháp đo độ nhám bề mặt………………… ….… 35 1.5 Kết luận chương 1……………………………………………… 35 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM………………… 37 2.1 Đặt vấn đề………………………………………………………… 37 2.2 Mô hình thí nghiệm……………………………………………… .38 2.2.1 Thiết kế mô hình thí nghiệm…………………………… 38 2.2.2 Các thông số hệ thống thí nghiệm…… … .39 2.2.3 Thiết bị đo…………………………………… ……… 43 2.3 Nội dung thí nghiệm………………………………… ……….… 44 2.3.1 Xác định độ nhám bề mặt chi tiết sau gia công… 44 2.4 Xây dựng phương pháp xử lý số liệu…………………………… 44 2.5 Kết luận chương 2……………………………………………… 48 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 50 3.1 Xây dựng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm……………… .50 3.1.1 Mục đích thực hiện……………………………………… .50 3.1.2 Xây dựng sơ đồ thực nghiệm………………………… 50 3.1.3 Cơ sở chọn giá trị thông số đầu vào………….… … 51 3.2 Phương pháp tiến hành thí nghiệm……… ………………… 53 3.2.1 Phương pháp thí nghiệm……………………………… 53 3.2.2 Thu thập kết thí nghiệm…………………………… 54 3.3 Các kết nghiên cứu thực nghiệm phay CNC…….… 59 3.3.1 Kết mô hình đại lượng Ra,Rz…………………… .59 3.3.2 Các đại lượng Ra,Rz phụ vào thời gian gia công 60 3.4 Kết luận chương .62 Kết luận chung 63 Phụ lục :Bảng số liệu kết đo 64 Trình tự bước xử lý kết thực nghiệm 70 Tài Liệu tham khảo 83 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị V Vận tốc cắt m/phút Sz Lượng chạy dao mm/răng B Chiều sâu cắt đo theo phương dọc trục dao phay mm t Chiều sâu cắt đo theo phương vuông góc với trục dao phay mm a Chiều dày cắt mm b Chiều rộng cắt mm z Số dao phay D Đường kính dao phay mm r Bán kính đỉnh lưỡi dao phay mm γ Góc trước lưỡi cắt mm α Góc sau lưỡi cắt Độ β Góc sắc lưỡi cắt Độ φ Góc nghiêng Độ φ1 Góc nghiêng phụ Độ Px Thành phần lực cắt theo phương vuông góc với phương chuyển động dao N Py Thành phần lực cắt theo phương chuyển động dao N Pz Thành phần lực cắt theo phương dọc trục dao N Ra Sai lệch profin trung bình bề mặt chi tiết µm Rz Chiều cao nhấp nhô trung bình bề mặt chi tiết µm Rt Chiều cao nhấp nhô lớn bề mặt chi tiết µm T Tuổi bền dao Phút τ Thời gian gia công Phút Hệ số thực nghiệm xét đến ảnh hưởng điều kiện gia công A0 xây dựng mô hình nhám bề mặt phụ thuộc vào thông số chế độ cắt A1, A2, Số mũ thực nghiệm tương ứng với thông số chế độ cắt lần A3 lượt V, Sz, B Hệ số thực nghiệm xét đến ảnh hưởng điều kiện gia công C0 xây dựng mối quan hệ độ nhám bề mặt phụ thuộc vào thời gian gia công C1 Hệ số thực nghiệm tương ứng với thời gian gia công δA Dung sai chi tiết Mm A Kích thước chi tiết gia công Mm h Khoảng giao hai bước hai dao cắt Mm L Chiều dài gia công Mm DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU TT Ký hiệu Tên bảng biểu Bảng 3.1 Giá trị thông số chế độ cắt giá trị mã hóa Bảng 3.2 Giá trị thông số công nghệ phay Bảng 3.3 Bảng 3.4 Bảng 3.5 Bảng 3.6 Bảng 3.7 Bảng 3.8 Bảng tổng hợp kết thí nghiệm điểm P1 Bảng 3.9 Bảng tổng hợp kết thí nghiệm điểm P2 10 Bảng 3.10 Bảng tổng hợp kết thí nghiệm điểm P3 11 Bảng 3.11 Bảng tổng hợp kết thí nghiệm điểm P4 12 Bảng 3.12 13 Bảng 3.13 Bảng tổng hợp kết thí nghiệm điểm P5 Bảng tổng hợp kết thí nghiệm điểm P6 14 Bảng 3.14 Bảng tổng hợp kết thí nghiệm điểm P7 15 Bảng 3.15 Bảng tổng hợp kết thí nghiệm điểm P8 Kết đo độ nhám bề mặt (Ra, Rz) phụ thuộc vào thông số chế độ cắt (V,S,B) Phương trình độ nhám bề mặt (Ra, Rz) phụ thuộc vào thông số chế độ cắt (V,S,B) Phương trình độ nhám bề mặt (Ra, Rz) phụ thuộc vào thời gian gia công τ Tổng hợp kết hệ số (C0,C1) phương trình độ nhám bề mặt (Ra, Rz) phụ thuộc vào thời gian gia công τ Phương trình độ nhám bề mặt (Ra, Rz) phụ thuộc vào thông số chế độ cắt (V,S,B) thời gian gia công τ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Hinh1.2 Các dạng dao phay chủ yếu Lực cắt dao phay tác động lên chi tiết tiếp xúc bề mặt vít me với đai ốc Hình 1.3 Điều khiển điểm – điểm Hình 1.4 Điều khiển đường thẳng Hình 1.5 Điều khiển theo contour Hình 1.6 Vùng gia công phay Hình 1.7 Sơ đồ bước phay Hình 1.8 Sơ đồ ăn dao vào chi tiết Hình 1.9 Bù chiều dài dao phay Hình 1.10 Diện tích cắt thực chi tiết diện kim loại bị cắt r ~ Hình 1.11 Diện tích cắt thực tiết diện kim loại bị cắt r Hình 1.12 Sơ đồ xác định độ nhấp nhô tế vi Hình 2.1 Sơ đồ thí nghiệm tổng quát Hình 2.2 Dao phay ngón thông số hình học Hình 2.3 Mẫu phôi thí nghiệm Hình 2.4 Sơ đồ gá kẹp thí nghiệm Hình 2.5 Sơ đồ đo độ nhám bề mặt Hình 2.6 Sơ đồ thuật toán xử lý số liệu Hình 3.1 Sơ đồ quy hoạch thực nghiệm Lời nói đầu Hiện khối lượng sản phẩm khí gia công cắt gọt chiếm tỷ lệ cao phương pháp gia công kim loại Cắt gọt kim loại phương pháp hàng đầu khả đáp ứng độ xác kích thước hình dạng chật lượng bề mặt chi tiết gia công Vì việc áp dụng công nghệ tiên tiến có trợ giúp máy tính tich hợp máy công cụ điều khiển theo chương trình số (NC & CNC), vật liệu dụng cụ có độ bền cao, vật liệu gia công đòi hổi khách quan sản xuất công nghiệp đại Do điều kiện công nghệ gia công cắt gọt kim loại phát triển theo hướng hoàn thiện nên mô hình trình cắt gọt kim loại, thông số chế độ cắt thu thập trước tài liệu cũ có số phần không phù hợp Việc mô hình hóa trình gia công cắt gọt điều kiện công nghệ đã, phải tiếp tục nghiên cứu Các mô hình độ nhấp nhô bề mặt gia công máy CNC nhập từ nước phát triển quyền hãng sản xuất Khi bán máy hãng thường không cung cấp mô hình Do thường gặp khó khăn việc khai thác sử dụng có hiệu máy CNC như: • Không có sở liệu để giải toán xác định chế độ cắt tối ưu gia công điều kiện công nghệ cụ thể • Nếu có tiền để mua quyền mô hình mua thường không phù hợp hoàn toàn với điều kiện sản xuất Việt Nam Nhằm góp phần giải khó khăn nêu điều kiện sản xuất cụ thể Việt Nam, đề tài tập trung nghiên cứu sâu vào vấn đề: “ Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ cắt tới độ nhám bề mặt gia công máy phay CNC ” Mục đích đề tài Kết việc xây dựng mô hình độ nhám bề mặt ( Rz, Ra) phay máy CNC, xây dựng điều kiện để giải toán xác định chế độ cắt tối ưu phay máy phay CNC điều kiện gia công cụ thể, góp phần sử dụng máy phay CNC cách hiệu & góp phần nâng cao hiệu kinh tế - kỹ thuật nguyên công phay Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu mối quan hệ đại lượng đặc trưng cho độ nhám bề mặt chi tiết gia công với thông số chế độ cắt ( Rz, Ra) phay máy phay CNC điều kiện gia công cụ thể sau: + Máy phay CNC vạn Ecomill 350 + Dao phay ngón sử dụng mảnh cắt xoay (mảnh hợp kim Max Depth of cut 09R– Nhật Bản) + Vật liệu gia công: Thép C45 Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu kết hợp suy diễn lý thuyết thực nghiệm Trước tiên thu thập, phân tích sử lý thông tin tiên niệm sau dưa giải pháp khoa học dùng thực nghiệm kiểm chứng giả thuyết - Nghiên cứu thực nghiệm dựa sở lý thuyết quy hoạch thực nghiệm, xây dựng hệ thống thí nghiệm ổn định có sử dụng thiết bị đo đại - Các kết nghiên cứu áp dụng cho thực tế sản xuất qua đánh giá hiệu vấn đề nghiên cứu Bảng kết tính toán Điểm TN yi yi (mũ) (yimũ - yingang)2 (yi - yingang)2 P1 0.7930 0.8146 0.07728 0.06574 P2 0.8442 0.7623 0.05094 0.03461 P3 0.3082 0.4086 0.01638 0.05216 P4 0.3400 0.2198 0.10036 0.03865 P5 0.8441 0.6209 0.00710 0.06455 P6 0.2279 0.2617 0.07557 0.04529 P7 0.1450 0.4092 0.01623 0.05335 P8 0.7903 0.6091 0.00525 0.06436 Σ = 0.34911 Σ = 0.41861 ytb = 0.5366 i = 20 R2 = ∑(y i =1 i = 20 ∑(y i =1 - i i − y) = −y ) 0.34911 = 0.83397 Phương trình hồi quy đạt xác 0.41861 Xác định mối quan hệ hệ số C1 với thông số chế độ cắt (V,S,B) ( sử dụng lý thuyết quy hoạch thực nghiệm thông số phương pháp bình phương nhỏ (BPNN): Trong đầu vào ma trận biết: X= 4.7875 -0.0513 1.5217 -1.4172 4.6052 -0.0513 1.5217 -1.4309 4.7875 -2.8134 1,0986 -1.0616 4.9416 -2.8134 0,6678 Y = -1.5015 4.6052 -0.0513 1,0986 -0.9150 4.7578 -2.8134 0,6678 -1.2705 1.1738 4.7578 -2.5902 76 0,6678 - 1.3356 -2.5902 4.6052 - 1,5217 (chương trình tính toán hệ số phương trình hồi quy sử dụng phần mềm MMATLAB) (Nhập ma trận X) >> X = 1.0000 4.7875 -0.0513 1.5217 1.0000 1.0000 4.6052 4.7875 -0.0513 -2.8134 1.5217 1,0986 1.0000 4.9416 -2.8134 0,6678 1.0000 4.6052 -0.0513 1,0986 1.0000 4.7578 -2.8134 0,6678 1.0000 4.7578 -2.5902 0,6678 1.0000 4.6052 -2.5902 1,5217 (Tính nghịch đảo ma trận M=XT*X) >> M-1 = 272.7564 -52.2209 2.4690 -15.3622 -52.2209 12.5818 3.8641 1.9594 2.4690 3.8641 7.4341 -1.5098 -15.3622 1.9594 -1.5098 1.9114 (Nhập ma trận Y) >> Y = -1.4172 -1.4309 -1.0616 -1.5015 -0.9150 -1.2705 -1.1738 -1.3356 (Tính ma trận hệ số a1 = M-1XT*Y) 77 >> = M-1XT*Y a1 = 3.4265 -1.0486 -0.5090 -0.398 Ta thu phương trình hồi quy thực nghiệm: y = 3.1265 - 1.0486x1 + 0.5090x2 - 0.398x3 Đánh giá kết sai số phương trình hồi quy bảng tính phần mềm MicroSoft EXCEL ta có bảng kết thu sau: - Xác định tồn phương trình hồi quy: Bảng kết tính Điểm TN yi yi (mũ) (yi - yi)2 P1 -1.4172 -1.4012 0.000256 P2 -1.4309 -1.21 0.048796 P3 -1.0616 -1.0605 0.00000121 P4 -1.5015 -1.8648 0.131686 P5 -0.9150 -0.8275 0.0076582 P6 -1.2705 -0.989 0.079242 P7 -1.1738 -1.1026 0.0050694 P8 -1.3356 1.0897 0.060466 0.333174 ∃ i = 20 ∃ ( yi− yi ) S2 (a) = ∑ i =1 Phương sai dư: Sdư = căn[S2(a^) : (n-k-1) = căn[0.333174 : (8-3-1)] = 0.083293 Sử dụng bảng phân vị Student với mức ý nghĩa cho trước (độ tin cậy γ=0.95) Tính: ttính = aj^ : Sdưcănmij = aj : (0.083293 mij) So sánh với bảng Student: tbảng(8-3-1, α = 0.05) → tbảng = 2.132 78 Bảng kết tính toán j aj^ mij ttính tbảng Kết luận -3.1265 272.7564 2.27 2.132 Tồn -1.0486 12.5919 3.55 2.132 Tồn -0.5090 7.4341 2.24 2.132 Tồn -0.389 1.9114 3.38 2.132 Tồn Ta thu phương trình biểu diễn mối quan hệ hệ số C1 với thông số chế độ cắt (V, S, B) C1 = 14,23V-1.0486.S-0,5090.B-0,389 Như phương trình biểu diễn mối quan hệ độ nhám bề mặt Ra với thời gian gia công τ nhận dạng: Ra = C0.τC1 C0 = 25.71V-0,2714.S0,6606.B0,3410 C1 = 14,23V-1.0486.S-0,5090.B-0,389 - Xác định hệ số R2 để đánh giá độ xác phương trìn hồi quy Bảng kết tính toán Điểm TN yi yi (mũ) (yimũ - yingang)2 (yi - yingang)2 P1 -1.4172 -1.4012 0.01904 0.033716 P2 -1.4309 -1.21 0.00283 0.038123 P3 -1.0616 -1.0605 0.02108 0.050542 P4 -1.5015 -1.8648 0.12192 0.078586 P5 -0.9150 -0.8275 0.11983 0.157243 P6 -1.2705 -0.989 0.03518 0.021329 P7 -1.1738 -1.1026 0.02579 0.017992 P8 -1.3356 -1.0897 0.02010 0.014241 Σ = 0.39069 Σ = 4.1174 ytb = 1.2632 79 i = 20 R2 = ∑(y i =1 i = 20 ∑(y i =1 - i i − y) = −y ) 0.369069 = 0.89; Phương trình hồi quy đạt xác 0.41174 Xác định mối quan hệ hệ số Rz với thông số chế độ cắt (V,S,B) ( sử dụng lý thuyết quy hoạch thực nghiệm thông số phương pháp bình phương nhỏ (BPNN): Trong đầu vào ma trận biết: X= 4.7875 -0.0513 1.5217 2.87 4.6052 -0.0513 1.5217 3.02 4.7875 -2.8134 1,0986 2.42 4.9416 -2.8134 0,6678 4.6052 -0.0513 1,0986 -2.8134 Y= 2.46 2.92 4.7578 0,6678 4.7578 -2.5902 0,6678 2.31 4.6052 -2.5902 1,5217 2.92 2.36 (chương trình tính toán hệ số phương trình hồi quy sử dụng phần mềm MMATLAB) (Nhập ma trận X) >> X = 1.0000 4.7875 -0.0513 1.0000 4.6052 -0.0513 1.5217 1.0000 4.7875 -2.8134 1,0986 1.0000 4.9416 -2.8134 0,6678 1.0000 4.6052 -0.0513 1,0986 1.0000 4.7578 -2.8134 0,6678 1.0000 4.7578 -2.5902 0,6678 1.0000 4.6052 -2.5902 1,5217 80 1.5217 (Tính nghịch đảo ma trận M=XT*X) >> M-1 = 272.7564 -52.2209 2.4690 -15.3622 -52.2209 12.5818 3.8641 1.9594 2.4690 3.8641 7.4341 -1.5098 -15.3622 1.9594 -1.5098 1.9114 (Nhập ma trận Y) >> Y = 2.87 3.02 2.42 2.46 2.92 2.36 2.31 2.92 (Tính ma trận hệ số a1 = M-1XT*Y) >> = M-1XT*Y a1 = 8.1531 -0,9983 0.3159 0,1272 Ta thu phương trình hồi quy thực nghiệm: y = 8.1531 – 0.9983x1 – 0.3159x2 + 0.1272x3 Đánh giá kết sai số phương trình hồi quy bảng tính phần mềm MicroSoft EXCEL ta có bảng kết thu sau: 81 - Xác định tồn phương trình hồi quy Bảng kết tính Điểm TN yi yi (mũ) (yi - yi)2 P1 2.87 2.82 0.0025 P2 3.02 2.99 0.0009 P3 2.42 2.47 0.0025 P4 2.46 2.57 0.0121 P5 2.92 2.94 0.0004 P6 2.36 2.34 0.0004 P7 2.31 2.41 0.010 P8 2.92 2.93 0.0001 ∃ i = 20 ∃ ( yi− yi ) S2 (a) = ∑ i =1 0.0289 Sdư = căn[S2(a^) : (n-k-1) = căn[0.0289 : (8-3-1)] = 0.085 Phương sai dư: Sử dụng bảng phân vị Student với mức ý nghĩa cho trước (độ tin cậy γ=0.95) ttính = aj^ : Sdưcănmij = aj : (0.085căn mij) Tính: So sánh với bảng Student: tbảng(8-3-1, α = 0.05) → tbảng = 2.132 Bảng kết tính toán j aj^ mij ttính tbảng Kết luận 8.1531 272.7564 5.8 2.132 Tồn -0.9983 12.5919 3.3 2.132 Tồn 0.3159 7.4341 1.4 2.132 Tồn 0.1272 1.9114 1.1 2.132 Tồn Ta thu phương trình biểu diễn mối quan hệ hệ số Rz với thông số chế độ cắt (V, S, B) Rz = 3392,3V-0,9983.S0,3159.B0,1272 82 Bảng kết tính toán yi yi (mũ) (yimũ yingang)2 yingang)2 P1 2.87 2.82 0.0256 0.0441 P2 3.02 2.99 0.1089 0.1296 P3 2.42 2.47 0.0361 0.0576 P4 2.46 2.57 0.0083 0.04 P5 2.92 2.94 0.0784 0.0676 P6 2.36 2.34 0.1024 0.09 P7 2.31 2.41 0.0625 0.1225 P8 2.92 2.93 0.0729 0.0676 Σ = 0.4943 Σ = 0.616 ytb = 2.66 i = 20 R = ∑(y i =1 i = 20 i ∑(y i =1 i (yi - Điểm TN − y) = −y ) 0.4943 = 0.802435 Phương trình hồi quy đạt độ xác 0.616 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO Công nghệ CNC – Tác giả: GS.TS Trần Văn Địch – Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội Tái lần – năm 2009 Công nghệ gia công máy CNC – Tác giả: Châu Mạnh Lực – Đà nẵng 2001 Điều khiển số công nghệ máy điều khiển số CNC – Tác giả: GS.TS Nguyễn Đắc Lộc, PGS.TS Tăng Huy – Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Hà Nội – năm 2002 Máy điều khiển số - Tác giả: PGS.TS Tạ Duy Liêm, Đại học Bách khoa Hà Nội Tin học kỹ thuật ứng dụng – Tác giả: GS.TSKH Bành Tiến Long – PGS.TS Trần Văn Nghĩa – TS Hoàng Vĩnh Sinh – THS Trần Xuân Thái – THS Bùi Ngọc Tuyến (Chủ biên: GS.TSKH Bành Tiến Long) – Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội 2005 6.Nguyễn Trọng Bình, Trương Hữu Chí, Hoàng Việt Hồng (2002), “Ảnh hưởng chế độ cắt tới độ nhám bề mặt chi tiết gia công phay dao phay mặt đầu máy phay CNC”, Tạp chí khoa học công nghệ đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh, 5(10), pp59-64 7.Nguyễn Duy, Trần sỹ Túy, Trịnh Văn Tự (1997), Nguyên lý cắt kim loại, Nhà xuất đại học trung học chuyên nghiệp Bành Tiến Long, Trần Thế Lục, Trần sỹ Túy (2000), Nguyên lý gia công vật liệu, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Trọng Bình (1997), Tối ưu hóa trình cắt gọt, Bài giảng cao học nghiên cứu sinh Đại Học Bách Khoa Hà Nội 10.Và số tài liệu khác liên quan khác tác giả sưu tầm 84 85 86 87 88 89 90 ... ảnh hưởng chế độ cắt tới độ nhám bề mặt gia công máy phay CNC ” Mục đích đề tài Kết việc xây dựng mô hình độ nhám bề mặt ( Rz, Ra) phay máy CNC, xây dựng điều kiện để giải toán xác định chế độ. .. cho độ nhám bề mặt chi tiết gia công với thông số chế độ cắt ( Rz, Ra) phay máy phay CNC điều kiện gia công cụ thể sau: + Máy phay CNC vạn Ecomill 350 + Dao phay ngón sử dụng mảnh cắt xoay (mảnh... công thô 1.2 Công nghệ gia công máy phay CNC 1.2.1 Các dạng điều khi n máy phay CNC Cũng máy công cụ điều khi n số khác, máy phay CNC có khả gia công bề mặt khác lỗ, mặt phẳng, mặt định hình